我国近海风电场单机用海面积界定方法的探讨＊

王勇智，孙永根，谷东起，赵新，李海波

（1.国家海洋局第一海洋局研究所 青岛 266071； 2.新天绿色能源股份有限公司 石家庄 050051）

1 前言

海上风电属于新能源项目，可大大节约传统火力发电的能源消耗，减少温室气体排放，并且不占用土地资源，提高我国可再生能源的比例，具有很高的发展前景。

海上风电场发电原理与陆上风电场发电原理类似，均利用风力带动叶片旋转，透过增速机将旋转的速度提升，来促使发电机发电。目前，受现有技术条件和自然因素的限制，单个海上风电机组的装机容量均相对较小。因此，海上风电场若要获得较大的总装机容量，就必须尽可能多地增加风电机组的数量。然而，风机叶片的转动会对下风向区域附近的风速产生一定的扰动，即尾流效应，对下风向临近风机的叶片转速、工作寿命和发电量产生不利影响。为保证海上风电场的经济性，在风机平面布置时，往往尽量扩大风机之间的间距，故海上风电场一般涉海面积较大，海上风电场的外包络面积往往是几十平方千米，以现行的相关技术规范来界定海上风机的用海面积，其用海面积却仅仅是几平方千米或十几平方千米（不含海底电缆和海上升压站用海面积）。而且，我国近岸海域资源开发已近饱和，海上风电场涉海面积大，不利于海洋空间资源的高效利用，也制约了海上风电这一清洁能源项目的发展，因此，海上风电场用海面积的界定还有待进一步优化。

2 近海风电场简介

近海风电项目是指沿海多年平均大潮高潮线以下海域的风力发电项目，包括在相应开发海域内无居民海岛上的风电项目。相对于陆上风电而言，海上风机得益于海面上更强劲、更稳定的风能资源，可以产生更多的电能，风能可利用率可以达到50%或更高［1］。而且，海上风电场不占用陆上土地资源，无污染物产生，选址可靠近经济发达地区，距离电力负荷中心近，风电并网和消纳相对容易。与日益饱和的陆上风电场相比，世界上仍有充足的海洋空间可用来建设海上风电场，因此，海上风电已成为新能源发展的趋势之一。

3 我国近海风电发展现状

我国海岸线长约3.2万km，其中大陆海岸线长约1.8万km，海岛海岸线长约1.4万km。据推算，我国近海区域、海平面以上50m高度可开发风电总装机容量约2亿kW，约是陆上实际可开发风能资源储量的3倍，可见海上风能储量远高于陆上，海上风电未来发展空间巨大［2］。根据《可再生能源发展“十二五”规划》，2015年我国海上风电将建成500万kW，形成海上风电的成套技术并建立完整产业链；2015年后，我国海上风电将进入规模化发展阶段，达到国际先进技术水平，到2020年建成海上风电3000万kW，加快海上风电开发，在江苏、山东、河北、上海、广东和浙江等沿海省份，建成一批海上风电场示范项目，以示范项目建设带动海上风电技术进步和装备配套能力的提升。因此，发展海上风电已成为我国电力发展和清洁能源发展的重要方向。

据统计，截至2011年年底，我国海上风力发电累计装机容量为26万kW，继英国和丹麦之后，位居全球第三［3］。2010年8月31日，我国第一个海上风电项目（潮间带风电场除外）——上海东海大桥10MW海上风电示范项目风电场全部34台华锐风电SL3000风电机组，顺利完成海上风电场项目240h预验收考核，拉开了我国海上风电建设的大幕。2010年10月，国家能源局组织了江苏省盐城市海域内4个海上风电特许权项目的招标，总装机容量为1000MW，目前部分项目正着手开工建设或已经开工建设。同时，为更好地在全国范围内开展海上风电项目的实验和示范，国家能源局先后批复了河北建投唐山菩提岛、乐亭月坨岛、江苏响水、上海东海大桥二期、上海临港、浙江舟山项目、福建平潭、广东徐闻等17个海上风电示范项目。其中部分项目已经核准，预计今明两年将迎来海上风电建设的高潮。

4 当前海上风电单机用海面积界定方法

按照《海上风电开发建设管理暂行办法》，海上风电项目建设用海按风电设施实际占用海域面积和安全区占用海域面积征用。其中，非封闭管理的海上风电机组用海面积为所有风电机组塔架占用海域面积之和，单个风电机组塔架用海面积按塔架中心点至基础外缘线点再向外扩50m为半径的圆形区域计算；海底电缆用海面积按电缆外缘向两侧各外扩10m宽为界计算；其他永久设施用海面积按《海籍调查规范》的规定计算，各宗海面积不重复计算。

众所周知，海上风机运行时，为了最大限度地获取风能，风机机头始终保持面向迎风方向，并会根据风向的变化产生0°～360°的水平旋转，同时叶片在风应力的作用下做垂直旋转，叶片扫过的区域在水平方向的垂直投影呈圆形。按照《海上风电开发建设管理暂行办法》，单个风电机组塔架用海面积按塔架中心点至基础外缘线点再向外扩50m为半径的圆形界定，主要为了覆盖叶片在自身垂直旋转的同时随机头水平旋转的垂直投影形成的圆形区域，从而起到保护风机和叶片的作用。由此不难看出，现行的单个风电机组用海面积的界定是根据风机塔架中心而确定，与风机的基础结构有关，而与风机的叶片长度无关。就现有技术条件而言，适用于近海风机的基础结构主要有以下3种，分别是单桩、多桩（以三桩导管架方式最为常见）和高桩承台基础结构。按照《海上风电开发建设管理暂行办法》，3种基础结构的风机用海面积界定方法如图1所示。单桩基础的风机，风机用海面积的界定方法为自桩基中心点至桩基外壁再向外扩50m为半径的圆形区域；三桩导管架基础的风机，用海面积的界定方法为以风机塔架中心点为圆心，中心点至3个桩外缘外扩50m为半径的圆形区域；高桩承台基础的风机，用海面积的界定方法为以风机塔架中心点为圆心，中心点至桩基外缘外扩50m为半径的圆形区域。由此可见，近海风电场单机用海面积的界定是参照《海籍调查规范》中“水下发电设施用海，以发电设施外缘线外扩50 m距离为界”的规定，从风机基础的外缘线开始界定，而海上风机工作的驱动力来源于风机叶片，叶片转动的动能来源于海表面风，应同属海表面以上的发电设施，因此，现有的风机单机用海面积界定方法的出发点存在一定缺陷，而且把风机基础和风机叶片的用海相剥离，没有把风机和叶片视为一个整体的透水构筑物来对待。

5 风机单机用海界定存在的问题

风机单机用海界定存在的问题主要是单个风机保护范围与风机叶片直径长度的矛盾。

图1 常见的3种不同风机用海面积界定的办法

海上风电场机型的选择充分考虑了风能资源、技术先进、运行可靠和环境适应等条件，以有利于提高风电场的发电效益。国外从20世纪90年代开始建设海上风电场，海上的风力发电设备制造技术已日趋成熟。经过多年的摸索和实践，逐渐发现大容量的单机风机具有风能资源利用效率高、年利用小时数高、容量系数小和净发电高等优点，而且海上风电项目由于整体成本高，所以对风机的单机容量要求更大，以求降低成本。因此，大容量风机机组已经成为海上风机发展的趋势，将逐步取代单机容量小于2MW的海上风机机组。目前，国家能源局已经下发文件要求潮间带风电场所选机型单机容量应大于2.5MW，近海风电场所选机型单机容量需大于3.0MW。近年来，国外海上风电场单机3MW以上已安装及运行的主流机型主要包括：德国Enercon E－126（6～7MW）、Gamesa G128（4.5MW）、Simens 3.6／4.0MW、Vestas V112－3.0MW、GE 3.6MW、Multbird 5MW 以及Repower 5MW 机型等［4］。

目前，国内的主流海上风机单机容量范围为3～5MW之间，其风轮直径范围为112～140m之间，其中华锐3MW风机叶轮直径为105m或113m，上海电气3.6MW 的风轮直径为116m或122m，西门子4MW的风轮直径为120m或130m，湘电5MW的风轮直径为115m或128m，GE 4.1MW风轮直径113m，海装5MW的风轮直径为154m，华锐5MW叶轮直径128m或154m，东汽5.5MW 的风轮直径为140m，随着风电行业、风机技术的不断发展，选择单机容量更大的机组已经成为行业发展的共识，目前国内外各大厂商纷纷研制更大容量的机组并取得了丰硕的成果，例如目前华锐SL6000，叶轮直径128m；金风科技6MW，叶轮直径150m；阿尔斯通6MW叶轮直径为150m；维斯塔斯正在研发的8MW风机，叶轮直径达到164m。由此可见，随着风机单机容量不断增加，其叶片的直径也相应不断增大。

根据《海上风电开发建设管理暂行办法》的有关要求：单个风电机组塔架用海面积按塔架中心点至基础外缘点再向外扩50m为半径的圆形区域计算。以我国现今较为流行的3MW机型为例，其叶片直径范围为104～112m之间，采用的基础多为三角桩基础结构形式，三角桩一般均匀分布在以塔架为圆心的圆周上，单个风机塔架中心至三角桩外缘的圆半径一般为16～20m，外扩50m保护范围后，其用海面积为半径66～70m圆的面积，大于风机叶片（直径为104～112m）为直径形成的圆周的面积。因此，在此情况下，外扩50m为半径的圆形区域能够起到保护风机基础和风机叶片的作用。

随着可再生能力的比例逐步提高，海上风电场总装机容量也逐渐增加，然而，单纯的通过增加风机数量来增加发电量，不仅不利于提高风能资源，而且占用海域面积过大，不利于海域资源的高效利用。

提高单机的装机容量成为近年来海上风电发展的趋势，为了获得更大的扫风面积，风机的叶片直径也随之增大，虽然风机基础的尺寸也相应加大，但远不及风机叶片增长的速度。例如，单机容量为5.5MW的风机叶片直径为140m（东汽），单机容量为6MW的风机叶片直径为150m（阿尔斯通），单机容量为7MW的风机叶片直径为165m（三菱），这就容易导致风机叶片的半径长度超过了风机塔架中心点至基础外缘点再向外扩50m的长度，在叶片旋转时（不仅包括叶片在风作用下的旋转，也包括风机机头时叶片始终保持迎风而做的旋转），叶片末端的垂直投影形成的圆的面积会超过风机塔架中心至风机基础外缘线外扩50m为半径所得圆的面积，这就造成外扩50m的保护范围不能覆盖风机叶片的工作范围（图2）。风机叶片隶属于风机，作为透水构筑物用海界定时，应将透水构筑物最外缘的垂直投影作为外界址线，因此，现行的海上风电单个风机用海面积的界定方法存在一定的缺陷，需考虑风机叶片长度的影响。

图2 风机叶片半径长度超过风机单机用海范围示意图（以三角桩基础风机为例）

6 近海风电场单机用海面积界定方法的建议

按照《海籍调查技术规范》，目前现有风机基础结构形式均为透水式，故海上风机用海方式应属透水构筑物用海，透水用海构筑物外界址点的界定应以透水构筑物最外缘的垂直投影来确定。风机的叶片是属于整个风机的一部分，随着风机单机装机容量的不断提升，单个风机叶片的半径会逐渐超过风机塔架中心至风机基础的外缘外扩50m后的长度，故应将风机运行时叶片旋转形成的垂直投影圆形的外缘作为外界址点来界定。然而，现行的单个风机用海面积的界定方法，实际上是将叶片与风机基础割裂开，当将海上风机作为透水构筑物用海来界定用海面积时，未考虑风机叶片工作时叶片外缘垂直投影的影响，因此，现行的单个风机用海面积的界定方法与技术规程的要求存在一定差距，这也是导致现行的海上风电单机用海面积界定方法不能适应未来海上风机发展需要的主要原因。

为了适应海上风电机组单机容量逐渐增大的趋势，同时，规范海上风电场用海面积的界定，根据《海籍调查技术规范》中透水构筑物用海面积界定的原则，提出了改进的海上风电场单个风机用海面积界定的方法——非封闭管理的海上风电机组用海面积为所有海上风力发电机组占用的海域面积之和，单个海上风力发电机用海面积按以风机塔架中心为圆心，风机叶片半径外扩40m为半径所得的圆形区域（图3）。上述单个海上风力发电机用海面积界定方法的优点是无论海上风力发电机的叶片直径如何加长，都能够保证风机叶片工作时，叶片末端的垂直投影形成的圆形区域始终位于单个风机的用海范围内，从而有效地保护了整个风机，也符合《海籍调查技术规范》中有关透水构筑物用海面积界定的原则。同时，参照《海籍调查技术规范》中规定的“海洋矿产和油气资源开发以及电力工业用海中的透水构筑物用海一般以外扩10～50m作为用海外界址线”，以及“水下发电设施用海，以发电设施外缘线外扩50m距离为界”的用海界定方法，考虑到海上风力发电机用海类型为海洋矿产资源和电力工业用海，两者用海的外扩距离具有一定的相似性和可借鉴性，但考虑到海上风力发电机工作场所位于海表面，又与水下发电设施用海具有一定的差异性，故本方法中提出外扩40m作为保护范围。该方法与《海上风电开发建设管理暂行办法》中提出的单个风机用海面积界定方法相比，虽然单个海上风力发电机的用海面积要大些，海域使用金将有所增加，但由于透水构筑物用海的单位面积海域使用金较少，故总体上增加的海域使用金相对较少，同时发挥了价格杠杆的作用，能够促进相关电力设计单位优化平面布置和尾流系数，最大限度地节约使用海域空间资源。

图3 近海风力发电机用海面积界定方法示意图

7 结论

由于现有的海上风力发电机单机用海面积界定的方法将风机基础和风机叶片割裂开来，与《海籍调查技术规范》中的透水构筑物用海面积界定原则有所差异，而且，鉴于目前海上风力发电机单机装机容量逐渐增大，风机叶片直径逐步增加的趋势，导致按照现行的海上风力发电机单机用海面积方法界定时，由风机塔架中心至风机基础外缘外扩50m后所得的圆形区域不能涵盖风机叶片工作时的垂直投影的圆形区域，故现行的海上风力发电机单机用海面积界定方法存在一定的局限性。因此，按照《海籍调查技术规范》中透水构筑物用海面积界定的原则，同时考虑到海上风力发电机叶片直径逐步加长的趋势，提出了改进的海上风力发电机单机用海面积方法：非封闭管理的海上风电机组用海面积为所有海上风力发电机组占用的海域面积之和，单个海上风力发电机用海面积按以风机塔架中心为圆心，风机叶片半径外扩40m为半径所得的圆形区域。该方法的优点是无论海上风力发电机的叶片直径如何加长，都能够保证风机叶片工作时，叶片末端的垂直投影形成的圆形区域始终位于单个风机的用海范围内，从而有效地保护了整个风机。

［1］王徽，黄成力.海上风力发电技术［J］.上海节能，2007（1）：23－26.

［2］赵世明，姜波，徐辉奋，等.中国近海海洋风能资源开发利用现状与前景分析［J］.海洋技术，2010，29（4）：117－121.

［3］曹文胜.海上风力发电及其技术发展综述［J］.能源与环境，2012（5）：11－14.

［4］张兴伟，陈严.风力机大型化发展中的总体设计技术［J］.新能源进展，2013，1（3）：11－14.